一種TD-HSUPA系統的動態信道分配方法*

王 耀，李方偉，朱 江，張家波

（重慶郵電大學 移動通信重點實驗室，重慶 400064）

1 引言

在TD-SCDMA引入HSDPA技術后，3GPP為了應對用戶日益增長的高速上行接入需求，也為了和其他標準競爭，在R7版本協議上引入了HSUPA技術。HSUPA通過使用自適應調制編碼 （AMC）、混合自動重傳請求（HARQ）以及快速分組調度技術（FPS）等增強了上行用戶速率和系統吞吐量。在組網方面，HSUPA的組網可以與已有HSDPA網絡混合組網，也可以只與R4組網，在升級到HSPA+以后還可以組建只含有HSUPA和HSDPA的網絡。筆者提出一種在TD-HSUPA系統上的動態信道分配方案，它使得基站能夠根據對用戶的測量結果，給用戶分配合理的時隙和碼道，讓用戶有更好的通信體驗。

2 HSUPA系統的動態信道分配算法

2.1 智能天線技術

智能天線技術是TDD系統中的一項關鍵技術。智能天線通過一組帶有可編程電子相位關系的固定天線單元獲取已接入用戶的方向性，并將信號發送和接收限定在朝用戶的方向，將方向增益最大的主波束信號對準用戶，而在其他方向上增益卻很小。由于TDD技術的上下行鏈路使用同一載頻，因此能更好地使用智能天線技術。智能天線的波束賦形增益可以表示為[1]

式中：如果是計算上行干擾，則α是用戶到基站方向的夾角，當用戶位置固定時為一定值；?k為第k個用戶發射的干擾信號到基站的夾角，取值范圍為0～2π；M是天線陣元數，由于TD-SCDMA的智能天線一般為8根，所以M取8；λ為無線波長，R=0.6522λ。

2.2 HSUPA的接納控制與上行目標載干比

當用戶發起呼叫，基站根據接納控制算法判斷用戶能否接入的兩個準則是：必須滿足新接入用戶的資源請求；必須滿足在接入新的呼叫用戶后，網絡中已有用戶能保持好的通信質量，有足夠的空閑碼道分配給新用戶使用[2]，即

式中：Ctotal表示新呼叫到來時已經被使用的碼道數量；ΔCn表示新的呼叫所需要的上行碼數量；Cth表示用戶可以使用的上行碼道的最大值。

新用戶的接入，勢必會提升基站的接收功率，意味著系統的噪聲也會提升，但是基站中移動臺的發射功率沒有及時變大，以致基站接收這些移動臺信號的信噪比降低，直接影響用戶的通信質量，所以接納控制算法應滿足以下準則[3]

式中：Ii是系統總接收功率；ΔI是新呼叫到來后系統增加的接收功率；Ith是系統能容忍的最大接收功率；rth是接入背景噪聲提升門限值；rm是切換用戶設置的冗余值；PN是系統背景熱噪聲。

移動臺發送上行信號時，其目標信號載干比可表示為[3]

式中：W指系統的碼片速率；Si為在該速率下占用的時隙比率；vi為用戶i的語音激活因子，如果是數據業務，其值為 1；Ri為用戶 i的比特率；（C/I）i為用戶 i接收信號的信干比；在發送上行信號時，C為移動臺發送的信號經過路徑損耗以后被基站接收的功率。

I為基站接收的干擾信號，由三部分組成：一部分來自小區內其他移動臺的干擾；一部分來自小區外移動臺和基站的干擾；還有一部分是熱噪聲，所以I可表示為

式中：β為由于在上行信道中采用多用戶技術的相關作用而引起的干擾消除，即聯合檢測因子，經驗值取0.9；Pm′是基站接收的非本小區移動臺和基站發射的功率；PN為背景熱噪聲；N為小區接入的用戶數；G為使用智能天線的增益。所以最后式（5）可以表示為

2.3 基于智能天線測量的HSUPA動態信道分配算法

因為智能天線有下行波束賦形、上行分扇區接收和測量用戶方位的功能，所以智能天線將對解決同頻干擾問題起到很大的作用。

由文獻[4]中的性能測試分析可知，在TDD系統中影響系統性能的干擾主要是同頻干擾，如果又存在交叉時隙干擾，將會對上下行都產生極大的影響，嚴重的會導致業務速率為零，所以應盡量避免出現此類情況。

文獻[5]把交叉時隙歸為緊急組而非普通組，來緩解出現同頻交叉時隙干擾的情況。文獻[5]的算法是當用戶接入時，優先將普通組的資源分配給用戶使用。若普通組剩余資源無法滿足需求，則調整發射功率較小的用戶使用緊急組資源，釋放其在普通組中的資源，而給新加入的用戶分配普通組資源。如果沒有可以釋放的普通組資源，則使用緊急組資源對新用戶進行接納控制。如果所有的時隙都沒有足夠資源分配給新用戶，則調整切換點的時隙，使用文獻[6]中提出的方法補充。

文獻[5]提出的方法盡管比較完善，但還有幾點不足：首先是沒有考慮用戶結束業務釋放連接的問題，如果用戶結束業務，非交叉時隙的資源被釋放，而此時尚有用戶在使用交叉時隙的資源，應該調整這部分用戶使用較好的資源。其次，文獻[5]沒有將用戶的移動考慮在內，應該考慮部分用戶在使用業務時可能向信號更好的方向移動，也可能向信道更差的地方移動，比如當使用交叉時隙的用戶朝遠離服務基站的方向移動時，其上下行功率都在逐漸增大，這勢必會造成本小區ROT的增大和鄰小區用戶干擾的增加，所以當使用智能天線對所有用戶位置進行測量時，如果發現有用戶遠離服務基站，靠近小區邊緣，應將這類用戶使用的交叉時隙與近基站用戶使用的普通組時隙交換，避免產生嚴重干擾和掉線。如果用戶運動到信道條件好的地方，則根據需求情況將該用戶使用的時隙切換到交叉時隙，以節約優質信道資源。

由于目前主流的都是多頻點組網，即一個基站被配置了一個主頻點和多個輔頻點，所以結合HSUPA的特點和文獻資料，筆者提出了基于智能天線測量結果的DCA算法（見圖1）。

算法步驟具體如下：

1）由于相鄰基站都是多頻點組網，在頻點有限的情況下，頻點復用不可避免，所以有必要在相鄰基站的交界處劃分使用同頻載波的區域，將距離服務基站較近，在此區域使用同頻產生干擾較小的區域規定為“安全區”，而把交界區域規劃為“非安全區”。

2）設圖1中基站1、基站2和基站3的主/輔載頻分別為F1/F2，F2/F3和F3/F1，當新的用戶請求接入服務時，無線網絡控制器依據終端的請求分析需求的資源數，并且利用智能天線測量該用戶的位置，如圖1中用戶A處于“安全區”，優先接入主載頻 F1，如 F1資源不夠，才使用輔頻點F2。若用戶在“非安全區”，則優先將主載頻F1的碼道資源配置給此用戶使用，若頻點F1上剩余碼資源無法滿足需求，則根據智能天線測量此用戶的位置信息，獲取用戶背后小區的主頻點信息，并判斷是否和本小區的輔頻點同頻，如果不同 （如圖1中用戶B），則配置F2給用戶使用，若相同（如圖1中用戶C），則調整本小區內用戶的載頻，將發射功率小的，在“安全區”中使用F1載波的用戶切換到頻點F2上，騰出F1上的碼道資源配給用戶C使用。否則只能降低數據速率，或將C接入到小區基站2的載頻F3上。

3）當存在交叉時隙時，用戶接入時，先用智能天線測量用戶所在位置，當用戶在“非安全區”時，給用戶分配與背后小區無交叉時隙干擾的碼資源。如果沒有滿足要求的碼資源，則按步驟2）中所述，通過調整本小區的碼資源分配來接入新的用戶。

4）當用戶在通信的過程中，智能天線對服務小區內用戶位置作測量，如果發現從“安全區”已經移動到“非安全區”的用戶，并且該用戶正使用與背后鄰小區相同的載頻，則按步驟2）中所述方法作調整，將該用戶切換到其他碼資源，避免移動出“安全區”的用戶因受干擾增強而掉線。

3 仿真和評估標準

3.1 仿真平臺

在使用Matlab編寫的HSUPA仿真平臺的基礎上，考慮多頻點情況，對文獻[5]和基于智能天線測量用戶位置的DCA算法進行仿真，并加以比較。

筆者采用基于離散事件時間驅動機制的方法來模擬業務發起的過程，也就是模擬時間流逝過程中系統各個模塊的運行機制。業務仿真考慮了CS域和PS域混合的情況，CS域按固定速率接入，PS域按照ON/OFF模型建立了兩種常見的業務：HTTP和在線游戲業務。小區模型采用Wrap-Around的概念建立7小區模型。頻點配置如圖2所示。

路損計算公式為[7]式中：d為基站到用戶的距離。

當新用戶接入系統時，由路損確定此用戶的各初始發射功率，然后作1 dB的閉環功率調整，聯合檢測因子采用0.9計算。調度算法基于優先級，由于語音業務是通信體驗最重要的業務，也是運營商的主要收入來源，所以網絡條件較差時首先保證語音業務的通信質量，其次是游戲業務，最后是HTTP業務。本文的仿真中使用HTTP和游戲業務的人數和語音業務的大致相等，每人同時只使用一種業務，新用戶隨機產生，并按照3 km/h的速率運動，當新用戶接入時按上述比例隨機決定使用哪種業務。基站最大發射功率為43 dBm，移動終端最大發射功率為22 dBm，最小發射功率為-49 dBm，陰影衰落均方差為10 dB，基站和移動臺最小耦合損耗為70 dB。

3.2 評價標準及仿真結果

圖3給出了小區用戶數增多的情況下兩種動態信道分配算法的上行掉話率。由圖3可以看出當用戶數少的時候，基于智能天線測量結果的DCA算法和文獻[5]中的算法沒有區別，主要原因是用戶數少，并且文獻[5]中的算法也做了時隙優化。但是隨著用戶數增多，基于智能天線測量的算法優勢就可以體現出來：1）中心區用戶結束通話釋放資源時，能調整邊緣用戶使用此資源；2）智能天線測量到用戶從小區中心移動到小區邊緣時能做碼資源調整，延緩用戶掉話率增大；3）在輔頻點開啟后，智能天線測量用戶位置能輔助無線資源管理器給用戶配置輔頻點。通過上述3點，基于智能天線測量的算法在上行掉話率上相比文獻[5]中的算法有更優的表現。

在TD-HSUPA上，基于智能天線測量的算法在用戶結束通話和用戶移動到小區邊沿時都要進行碼資源的調整，盡可能地利用信道資源，這導致在發送同等數據量的情況下，基于智能天線測量的算法吞吐量更大。在用戶數較多時啟用了輔頻點，基于智能天線測量的算法能更好地輔助無線資源管理器給用戶分配碼資源，所以在系統達到極限之前有更大的吞吐量（見圖4）。

4 小結

筆者在文獻[5]和文獻[6]的基礎上，提出了一種基于智能天線測量結果的動態信道分配方法，該方法通過智能天線測量用戶的方位，能輔助基站給用戶分配時隙資源。仿真表明該算法對比文獻[5]中提出算法，能更好地避免鄰小區同頻干擾和交叉時隙干擾，更加充分地利用碼資源，對上行性能有較好的提升效果。

[1]彭木根，王文博.基于智能天線技術的碼分多址系統容量研究[J].北京郵電大學學報，2006，29（2）：81-85.

[2]肖登坤，張其善，李世鶴.TD-SCDMA系統中接納控制算法研究[J].電子學報，2004，32：1536-1538.

[3]彭木根，王文博.TD-SCDMA系統上行鏈路接入控制機制[J].北京郵電大學學報，2006，29（1）：29-31.

[4]周興圍.TD-SCDMA室內外不同時隙配比性能測試分析及組網建議[J].電信技術，2009（4）：56-59.

[5]劉兵，王亞峰，楊大成.一種TD-SCDMA系統的動態信道分配策略[J].電路與系統學報，2009，14（4）：50-54.

[6]KRIENGCHAIYAPRUK T，FORKEL I.Adaptive switching point allocation in TDD/CDMA system[C]//Proc.Vehicular Technology Conference 2002.[S.l.]：IEEE Press，2002：24-28.

[7]常永宇，楊大成.TD-HSPA移動通信技術[M].北京：人民郵電出版社，2007.